船舶及海洋工程平台电力负荷分析

2015-08-15王鹏，王敏

船舶与海洋工程 2015年1期

王鹏，王敏

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

电力负荷分析是船舶设计的基础，是确定船舶电站及发电机的容量与配置的依据。随着现代船舶技术的高速发展，船舶电力系统日益庞大、电力设备的高速更新和应用以及使用工况愈来愈多，这些都对经典的电力负荷分析提出了更高的要求，特别是在海洋工程平台项目中。比如深水半潜式钻井平台，几千台设备的运控过程都涉及电力，且运行工况可达近十种。因此，需进一步研究这类船舶的电力负荷分析方法，以及对于相应引出的问题，例如功率因数的选择、电压等级的选择、电站配置的考虑等进行详细的剖析。

1 作业工况

在进行电力负荷分析之前，首先应了解船舶的各种作业流程及工况。不同类型、不同用途的船舶差异甚大。

1) 运输类的船舶工况大致相同，可以分为：航行、进出港、压载、装卸货、停泊、应急等几个工况；

2) 工程类船舶比如布缆船，作业流程及工况有航行、布设、埋设、捞缆、修理登陆、修理布设、停泊、应急等工况；

3) 海洋工程如半潜式钻井平台，作业流程及工况就相对较多：航行、正常天气动力定位、恶劣天气动力定位、故障情况动力定位、正常钻井、重负荷钻井工况、起下钻、停泊、应急等工况。

2 电力负荷分类

2.1 推进定位类负荷

用于船舶推进或者船舶动力定位时需要使用的负荷，随着电力推进技术的广泛使用，推进电机，推进变压器以及推进变频器组成了推进定位类负荷的主要设备。在电力推进的船舶或者海洋工程中，推进定位类负荷占据了最大的份额，通常占到电站总容量70%以上。推进定位类负荷与船舶尺寸和航速有关。动力定位负荷还需考虑不同的风、浪、流环境，以及船舶尺寸和自身的受风面积。推进定位类负荷在不同的作业工况和环境条件下差别很大。

2.2 公用负荷

船舶在正常运行时所需的公共负荷，包括辅发电机系统、机舱辅助系统、空调系统、冷藏系统、通风系统、电力系统、照明系统、通信系统等等。此部分的负荷与环境条件以及作业工况无关，在船舶运行各工况下相对稳定。

2.3 作业类负荷

船舶及海洋工程由于不同作业需要所配置的相关负荷，例如钻井平台、钻井船的钻井负荷、物探船的测量负荷、起重船的起重负荷、敷管船、布缆船的布设负荷、运输类船舶的驳运负荷等等。此部分的负荷与船舶功能、工作工况息息相关。在不同的作业条件下功率差别非常突出。

2.4 应急负荷

满足各类规范规则要求，在应急情况仍然需要使用的负荷，例如应急消防泵、探火设备、消防类设备、逃生设备等。

3 电力负荷计算法

电力负荷计算属于统计学的计算法。由于电站不能像船模试验一样确定船体的型式和尺寸及推进系统，因此电站容量的选择只是根据统计规律采用近似的估算方式。

3.1 三类负荷法

是国内使用最多的一种计算全船电力负荷的方法。它将全船用电负荷按使用特点分成3类，并且考虑负荷系数和同时系数来进行计算。

1) 第1类负荷是指在船舶某一运行状态下连续使用的负荷；

2) 第2类负荷是指在某一运行状态下短时或重复短时使用的负荷；

3) 第3类负荷是指在某一运行状态下偶然短时使用或者不用的负荷。

当电气设备具有充分的数据时，可采用三类负荷法进行全船电力负荷的计算。由于数据充分，能较准确地得出各用电设备的负荷系数，同时各用电设备按其使用情况分类，并按类考虑其同时系数，亦可以较精确地确定同时系数。因此，三类负荷法能求得较精确的结果。

3.1.1 负荷系数

负荷系数=电动机利用系数×机械负荷系数

电机利用系数是指电机轴功率与额定功率之比，机械负荷系数是指实际使用功率与电机轴功率之比。这些值都只能在设计之初通过经验或者母型船数据获得。

3.1.2 同时系数

现在通常选取1类负荷同时系数K1在0.8～0.9范围内。2类负荷系数K2在0.3～0.5范围内。所选取的限值应视其船舶运行工况及船舶设备数量而定，且不同运行工况下的同时系数不同。

3.2 需要系数法

需要系数是用电设备实际消耗功率与其额定功率的比值。可以看出，需要系数结合了设备负荷系数和使用同时系数。需要系数取值是否合理是全船电站选择的关键，这就要求设计师具有丰富的经验。目前，国外的海洋工程基本设计大多采用需要系数法。

4 相关问题分析

4.1 网络损耗

目前，大多数的船舶及海洋工程采用电缆作为动力传输的主要方式，电缆作为传输载体，消耗能量会造成电压跌落。因此大多数的设计指南中会要求考虑5%的网络损耗计入电力负荷计算中。然而，统一使用5%的冗余度考虑较为保守，更应视电网情况而定。

4.1.1 低压系统

对于低压电网系统（例如AC380V，AC440V，AC690V等），这样的考虑也无可厚非，毕竟大部分的设备需配备低压，考虑到电缆和变压器产生的损耗，因此计及 5%的网络损耗对于电站选择较可靠。规范对于电缆造成最大交流稳态电压降跌落的要求是不能超过6%也从侧面反映了这一点。

4.1.2 中压系统

在中压系统中，特别是6.6kV和11kV的电压等级，特别是主要用电设备为中压设备使得电缆传输损耗会降低不少。因此，在大容量的船舶及海洋工程电网计算中，应适当降低网络损耗的比例，甚至在很多国外公司的中压海洋工程的项目负荷计算中都忽略此项。根据经验，中压系统考虑 2%～3%的网络损耗较合适。

4.2 无功功率

在船舶电网中，无功功率和有功功率一样重要。原因是，几乎所有的设备正常运行都需要无功分量。在电机启动，变压器合闸等功率因数特别低的情况下，都需要大量的无功功率。

目前国内的船舶设计电力负荷计算中，通常对于无功功率计算不作特殊的要求。但是反观国外海洋工程电力负荷计算中，全船无功功率负荷分析比比皆是。究其原因，无非是发电机功率因数的选择出现了一些问题。

在船舶领域，大多使用功率因数0.8的发电机。原因在于，通过工程分析，大部分的设备额定功率因数都大于0.8。比如，机舱泵的功率因数多在0.85左右，变压器的功率因数为0.8，变频钻井电机的功率因数超过了0.9，变频器的功率因数为0.95以上，照明系统中也会选用高功率因数的灯具产品（>0.85）等。但是需要注意，大部分设备没有工作在额定点，因此实际的设备功率因数会比额定值低些。所以，当设备正常运行时，选用功率因数0.8的发电机应该可以满足绝大部分设备的要求。

但是一些海洋工程中，特别是半潜式钻井平台或者钻井船项目中，国外的设计都会选择功率因数 0.9的发电机，从而提高经济性。原因是作为最大负载的推进负荷由变频器驱动，占据超过70%的份额，而变频器的整流侧功率因数很高，对于12脉和24脉的不可控整流器功率因数都超过0.99，因此船舶在航行、定位等主要运行工况下，总的功率因数很高，对电站需求无功功率很小。

也有一些海洋工程中，特别是美国区域使用的钻井平台，发电机功率因数多为0.7或者更低。原因是这些平台对于谐波抑制方式较简单，需要较大的发电机视在容量以抵御谐波畸变造成的影响。

4.3 电站配置

通过对船舶作业工况的分析，按照计算方法统计全船电力负荷的总和，得到每种工况下以及最大的功率需用值，以此条件作为全船电站配置的基础。

根据海洋工程项目实际情况考虑电站的配置，包括数量和容量。主要考虑以下几个方面：

1) 电站总功率满足各运行工况下的最大用电量的需要；

2) 考虑设置备用机组，其容量应等于电站中最大一台机组的容量，当任意一台机组故障时，备用机组都能立即投入电网运行以保证供电之可靠性；

3) 考虑一定的功率储备，各发电机的最高负荷率取85%左右；

4) 主发电机组的台数过多会增加维护管理工作量，过少则降低运行经济性；

5) 为保证有良好的并联运行特性，又可使各机组互为备用，所以对于新造平台，基本上选用同型号且容量相同的机组；

6) 若有动力定位要求，需考虑动力定位附加标志（DP2/DP3）的要求，当发生单个故障时在规定的作业范围内自动保持位置和艏向。

一般非电力推进船舶电站的负荷率在85%是合理的。而在电力推进船舶中,由于船舶电站的主要负载是供推进负荷，其绝对值又较常规电站大，因此其负荷率应比常规电站的要高才更合理，否则会使电站裕量储备过大而浪费。目前对大容量船舶电站的负荷率没有任何规定和探讨，根据资料分析，有工程界专家提出在95%左右是合理可行的。试以电站容量20MW为例，95%负荷率则有1MW的裕量储备，接近于一个常规电站的总容量，可以应付电站负荷变化的需要。

4.4 电压等级

一定的电压等级决定了一定的电网容量和供电负荷的大小，当电力系统的容量达到一定值以后，采用中压交流电力系统（例如3.3kV、6.6kV、11kV等）是一个很好的选择，它可以大大减小短路电流的水平，可以选用标准的中压交流配电柜而降低成本，提高系统的安全可靠性，同时还可以节省大量的电缆。

从断路器的容量分析来看，低压交流电力系统（例如400V AC或者450V AC）汇流排短路电流半周对称有效值（Isc）的极限为135kA，当短路电流Isc超过135kA时必须选用中压交流电力系统，当短路电流Isc超过100kA时优先选用中压交流电力系统。生产大容量非标准的低压交流配电板需要大量的试验成本，既不经济也不安全。

当低压交流电力系统水平汇流排的额定容量不大于6300A，短路电流对称有效值Isc不超过100kA，应该采用低压交流电力系统。许多著名的低压配电设备制造商均能提供经济的、安全可靠的标准型低压开关柜、低压配电屏。当低压交流电力系统水平汇流排额定容量大于6000A而不超过8000A，短路电流对称有效值超过100kA且不超过120kA，或者说粗略估计电站总容量大约为8～10MW，可以根据船东的喜好和习惯选用低压交流电力系统（例如450V交流电力系统）或者中压交流电力系统（例如3.3kV或6.6kV交流电力系统）。当低压交流电力系统汇流排短路电流对称有效值超过120kA或者粗略估计电站总容量超过10MW左右，应该考虑选用中压交流电力系统，例如3.3kV或6.6kV交流电力系统；如果电站总容量超过40MVA，例如采用电力推进方案，应该优先考虑选用10～11kV交流电力系统。